JP4599865B2 - 面発光半導体レーザ素子 - Google Patents

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Description

本発明は、面発光半導体レーザ素子に関する。
垂直共振器型の面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）によれば、断面が円形をした光ビームを得ることができるだけでなく、複数の発光部分を単一基板上に高密度に集積化することもできる（例えば、特許文献１参照）。
この面発光半導体レーザは、ＧａＡｓ基板上に下部ミラー及び上部ミラーを有している。下部ミラーと上部ミラーとの間には活性層が挟まれている。上部ミラー及び下部ミラーの各々は、ＡｌＡｓ層とＧａＡｓ層とを交互に積層した構造を有しており、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）として機能する。
特開平１０−１２５９９９号公報
面発光半導体レーザは、高い反射率の上部ミラー又は下部ミラーといったＤＢＲ部（分布ブラッグ反射部）を必要とする。ＤＢＲ部の反射率を高くするためには、次のような方法がある。（１）ＤＢＲ部を構成する層の数を多くする。（２）隣接する二層の屈折率差を大きくする。しかしながら、ＤＢＲ部を二種類の半導体層で形成する場合、隣接する二層間及び基板との格子整合等を考慮すると、ＤＢＲ部を構成する層の材料はある程度限定されてしまう。このため、隣接する二層の屈折率差を大きくすることは困難であった。よって、多数のＡｌＡｓ層及びＧａＡｓ層を用いてＤＢＲ部の反射率を高くしていた。
本発明は、積層数が少なくても高い反射率を有するＤＢＲ部を備えた面発光半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
上述の課題を解決するため、本発明の面発光半導体レーザ素子は、第１ＤＢＲ部と、第２ＤＢＲ部と、第１ＤＢＲ部と第２ＤＢＲ部との間に設けられた活性層と、を備え、第１ＤＢＲ部は、交互に設けられた半導体層及びアルミニウム酸化物層を有する。
このような面発光半導体レーザ素子では、半導体層とアルミニウム酸化物層との屈折率差が大きいので、第１ＤＢＲ部の反射率を高くすることができる。
また、半導体層の数は５以上であり、アルミニウム酸化物層の数は５以上であると好ましい。
これにより、第１ＤＢＲ部の反射率を十分高くできるので、面発光半導体レーザ素子を好適に動作させることができる。
また、半導体層の主面は、中央部に設けられた第１部分とその第１部分の周縁部に隣接する第２部分とを有しており、第１部分上にはアルミニウム酸化物層が設けられており、第２部分上には上記半導体層とは別の半導体層が設けられている。
半導体層同士の密着性は、半導体層とアルミニウム酸化物層との密着性に比べて高いので、第１ＤＢＲ部の機械的強度が向上する。その結果、面発光半導体レーザ素子の機械的強度も向上する。
また、本発明の面発光半導体レーザ素子は、第１ＤＢＲ部と、第２ＤＢＲ部と、第１ＤＢＲ部と第２ＤＢＲ部との間に設けられた活性層と、を備え、第１ＤＢＲ部は、交互に設けられた半導体層及び酸化物層を有しており、その酸化物層は、ＡｌＧａＡｓ及びＡｌＡｓのうち少なくともいずれか一方の材料を酸化してなる。
このような面発光半導体レーザ素子では、半導体層と酸化物層との屈折率差が大きいので、第１ＤＢＲ部の反射率を高くすることができる。
また、半導体層の数は５以上であり、酸化物層の数は５以上であると好ましい。
これにより、第１ＤＢＲ部の反射率を十分高くできるので、面発光半導体レーザ素子を好適に動作させることができる。
また、半導体層の主面は、中央部に設けられた第１部分とその第１部分の周縁部に隣接する第２部分とを有しており、第１部分上には酸化物層が設けられており、第２部分上には上記半導体層とは別の半導体層が設けられている。
半導体層同士の密着性は、半導体層と酸化物層との密着性に比べて高いので、第１ＤＢＲ部の機械的強度が向上する。その結果、面発光半導体レーザ素子の機械的強度も向上する。
また、上記面発光半導体レーザ素子は、第１ＤＢＲ部に張り合わされた半導体部を更に備え、半導体部は、第１ＤＢＲ部と活性層との間に設けられていると好ましい。
これにより、第１ＤＢＲ部を構成する材料系と、活性層を構成する材料系とが異なる場合でも、上述のように好適な面発光半導体レーザ素子が容易に得られる。
また、上記面発光半導体レーザ素子は、活性層と前記第１ＤＢＲ部との間に設けられた電流狭窄層と、電流狭窄層と第１ＤＢＲ部との間に設けられたＧａＡｓ層と、ＧａＡｓ層上に設けられた電極と、を更に備え、ＧａＡｓ層の主面は、第１領域と第１領域を取り囲む第２領域とを有しており、第１ＤＢＲ部は第１領域上に設けられており、電極は第２領域上に設けられていると好ましい。
このような面発光半導体レーザ素子では、第１ＤＢＲ部中を電流が通過しない。電流は、電流狭窄層によって閉じ込められた後に活性層に注入される。
本発明によれば、積層数が少なくても高い反射率を有するＤＢＲ部を備えた面発光半導体レーザ素子を提供することができる。
以下、図面とともに本発明の実施形態に係る面発光半導体レーザ素子について説明する。なお、図面の説明においては、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る面発光半導体レーザ素子を模式的に示す斜視図である。図２は、図１に示されたII−II線に沿った断面図である。
図１及び図２には、面発光半導体レーザ素子１００が示されている。面発光半導体レーザ素子１００は、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に設けられた下部ＤＢＲ部３及び上部ＤＢＲ部７を備える。下部ＤＢＲ部３と上部ＤＢＲ部７との間には、活性層５が設けられている。
活性層５と下部ＤＢＲ部３との間には、第１ＡｌＧａＡｓ層２５が設けられていると好ましく、活性層５と上部ＤＢＲ部７との間には、第２ＡｌＧａＡｓ層２７が設けられていると好ましい。第１ＡｌＧａＡｓ層２５、活性層５及び第２ＡｌＧａＡｓ層２７によって、λ共振器が構成される。
第２ＡｌＧａＡｓ層２７と上部ＤＢＲ部７との間には、電流を閉じ込めるための電流狭窄層１０が設けられていると好ましい。電流狭窄層１０は、電流を通過させるための第１部分１１と、この第１部分１１を取り囲む環状の第２部分９とを備える。第１部分１１は例えばｐ型ＡｌＧａＡｓからなり、第２部分９は例えばｐ型ＡｌＧａＡｓが酸化されたものからなる。第１部分１１の厚さは、発光波長λ及びｐ型ＡｌＧａＡｓの実効屈折率ｎｒ３を用いて表すとき、λ／４ｎｒ３であることが好ましい。
電流狭窄層１０と上部ＤＢＲ部７との間には、ｐ型ＧａＡｓ層１３が設けられていると好ましい。ｐ型ＧａＡｓ層１３の厚さは、発光波長λ及びｐ型ＧａＡｓの実効屈折率ｎｒ４を用いて表すとき、λ／４ｎｒ４であることが好ましい。ｐ型ＧａＡｓ層１３の表面は、第１領域１２と第１領域１２を取り囲む第２領域１４とを有している。ここで、第１領域１２上には上部ＤＢＲ部７が設けられており、第２領域１４上にはｐ型電極１５が設けられていると好ましい。上部ＤＢＲ部７は、電流狭窄層１０の第１部分１１上に位置する。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面には、ｎ型電極１７が設けられている。
ｐ型電極１５及びｎ型電極１７に電圧を印加すると、活性層５に電流が供給される。これにより、レーザ光が上部ＤＢＲ部７を透過して外部に放出される。
活性層５は、例えば、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）又は単一量子井戸構造（ＳＱＷ）等の量子井戸構造（ＱＷ）を有する。好適実施例では、活性層５は、ＧａＩｎＮＡｓ層及びＧａＡｓ層からなる量子井戸構造、又はＩｎＧａＡｓ層及びＧａＡｓ層からなる量子井戸構造等を有するとしてもよく、例えば、ＧａＩｎＮＡｓ層及びＧａＡｓ層からなる多重量子井戸構造を有する。
下部ＤＢＲ部３では、例えば、Ｓｉドープされたｎ型ＡｌＧａＡｓ層１９とＳｉドープされたｎ型ＧａＡｓ層２１とが交互に複数積層されている。一実施例では、例えば、２３層のｎ型ＡｌＧａＡｓ層１９と、２２層のｎ型ＧａＡｓ層２１とが交互に積層される。よって、下部ＤＢＲ部３の最上層及び最下層はｎ型ＡｌＧａＡｓ層１９となる。すなわち、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１９及びｎ型ＧａＡｓ層２１からなるペアが２２ペア形成され、さらにｎ型ＡｌＧａＡｓ層１９が１層形成される。
ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１９の厚さは、発光波長λ及びｎ型ＡｌＧａＡｓの実効屈折率ｎｒ１を用いて表すとき、λ／４ｎｒ１であることが好ましい。ｎ型ＧａＡｓ層２１の厚さは、発光波長をλ、ｎ型ＧａＡｓの実効屈折率をｎｒ２としたときに、λ／４ｎｒ２であることが好ましい。
上部ＤＢＲ部７は、交互に積層された複数のＧａＡｓ層３１（半導体層）と複数のアルミニウム酸化物層３３とを有する。上部ＤＢＲ部７の最上層はＧａＡｓ層３１であり、最下層はアルミニウム酸化物層３３である。
ＧａＡｓ層３１は、例えばノンドープＧａＡｓからなる。ＧａＡｓ層３１の厚さは、発光波長λ及びＧａＡｓの実効屈折率ｎｒ６を用いて表すとき、λ／４ｎｒ６であることが好ましい。アルミニウム酸化物層３３の厚さは、発光波長λ及びアルミニウム酸化物の実効屈折率ｎｒ７を用いて表すとき、λ／４ｎｒ７であることが好ましい。アルミニウム酸化物層３３は、ＡｌＧａＡｓ及びＡｌＡｓのうち少なくともいずれか一方の材料を酸化してなる酸化物層であるとしてもよい。アルミニウム酸化物層３３は、例えば、ＡｌｘＯｙを含むと好ましい。なお、アルミニウム酸化物層３３中にＧａ等が残存していてもよい。
ここで、１．３μｍ（１３００ｎｍ）の波長を有する光に対するＡｌＡｓの屈折率ｎ（ＡｌＡｓ）は２．９６であり、ＧａＡｓの屈折率ｎ（ＧａＡｓ）は３．５１であるので、これらの屈折率差Δｎ（｜ｎ（ＧａＡｓ）−ｎ（ＡｌＡｓ）｜）は０．５５である。
これに対して、１．３μｍ（１３００ｎｍ）の波長を有する光に対するＡｌ２Ｏ３の屈折率ｎ（Ａｌ２Ｏ３）は１．６７であり、ＧａＡｓの屈折率ｎ（ＧａＡｓ）は３．５１であるので、これらの屈折率差Δｎ（｜ｎ（ＧａＡｓ）−ｎ（Ａｌ２Ｏ３）｜）は１．８５である。
よって、Ａｌ２Ｏ３とＧａＡｓとの屈折率差は、ＡｌＡｓとＧａＡｓとの屈折率差よりも顕著に大きい。このため、ＧａＡｓ層３１とアルミニウム酸化物層３３とを備える上部ＤＢＲ部７の反射率は非常に高いものとなる。したがって、面発光半導体レーザ素子として十分な反射率を容易に得ることができる。
図３は、ＤＢＲ部を構成する二種類の層のペア数に対するＤＢＲ部の反射率（％）をプロットしたグラフである。グラフには、ＧａＡｓ層及びＡｌ２Ｏ３層からなるＤＢＲ部の反射率特性と、ＧａＡｓ層及びＡｌＡｓ層からなるＤＢＲ部の反射率特性とが示されている。ここで、グラフ中のペア数とは、ＧａＡｓ層及びＡｌ２Ｏ３層からなるペアの数、又は、ＧａＡｓ層及びＡｌＡｓ層からなるペアの数を意味する。
このグラフを参照すると、面発光半導体レーザ素子１００におけるＧａＡｓ層３１及びアルミニウム酸化物層３３の数は各々５以上であると好ましい。この場合、上部ＤＢＲ部７の反射率を９９％以上とすることができる。一実施例では、ＧａＡｓ層３１及びアルミニウム酸化物層３３からなるペアは、例えば６ペア形成される。
また、面発光半導体レーザ素子１００では、面発光半導体レーザ素子として十分な反射率を得るために必要なＧａＡｓ層３１及びアルミニウム酸化物層３３の層数を少なくすることができる。このため、面発光半導体レーザ素子１００の小型化を実現できる。
また、ＤＢＲ部を構成する層の厚さ、屈折率及び平坦性等を所望の値とするように制御することは、通常、製造プロセス上困難である。このため、ＤＢＲ部を構成する層の層数が少なくて済むと、面発光半導体レーザ素子の製造が容易になると共にその製造コストを低減できる。
図４は、光の各波長（ｎｍ）に対するＤＢＲ部の反射率をプロットしたグラフである。グラフには、ＧａＡｓ層及びＡｌ２Ｏ３層からなるペアを６ペア有するＤＢＲ部の反射率特性と、ＧａＡｓ層及びＡｌＡｓ層からなるペアを２２ペア有するＤＢＲ部の反射率特性とが示されている。このグラフを参照すると、ＧａＡｓ層３１及びアルミニウム酸化物層３３からなる上部ＤＢＲ部７ではストップバンド（反射帯域）が広くなるので、面発光半導体レーザ素子１００では、広い波長帯で高い反射率が得られることが分かる。
続いて、図２及び図５〜図７を参照して、上記面発光半導体レーザ素子の製造方法について説明する。図２及び図５〜図７は、面発光半導体レーザ素子１００の製造方法における一工程を模式的に示す工程断面図である。
（下部ＤＢＲ膜形成工程）
まず、図５に示されるように、例えば、ｎ型ＧａＡｓ基板１ａ上に、エピタキシャル成長法により複数のｎ型ＡｌＧａＡｓ膜１９ａ及び複数のｎ型ＧａＡｓ膜２１ａを交互に積層する。例えば、ｎ型ＡｌＧａＡｓ膜１９ａは２３層であり、ｎ型ＧａＡｓ膜２１ａは２２層である。すなわち、２３層のｎ型ＡｌＧａＡｓ膜１９ａ及び２２層のｎ型ＧａＡｓ膜２１ａからなる下部ＤＢＲ膜３ａが得られる。このとき、ｎ型ＡｌＧａＡｓ膜１９ａ及びｎ型ＧａＡｓ膜２１ａからなるペアが２２ペア形成され、さらにｎ型ＡｌＧａＡｓ膜１９ａが１層形成される。
ｎ型ＡｌＧａＡｓ膜１９ａの厚さは、発光波長λ及びｎ型ＡｌＧａＡｓの実効屈折率ｎｒ１を用いて表すとき、λ／４ｎｒ１であることが好ましい。ｎ型ＧａＡｓ膜２１ａの厚さは、発光波長λ及びｎ型ＧａＡｓの実効屈折率ｎｒ２を用いて表すとき、λ／４ｎｒ２であることが好ましい。
（活性膜形成工程）
次に、下部ＤＢＲ膜３ａ上に、例えば、第１ＡｌＧａＡｓ膜２５ａと、活性膜５ａと、第２ＡｌＧａＡｓ膜２７ａとを順にエピタキシャル成長法により形成する。
次に、第２ＡｌＧａＡｓ膜２７ａ上に、例えば、ｐ型ＡｌＧａＡｓ膜１１ａと、ｐ型ＧａＡｓ膜１３ａとを順にエピタキシャル成長法により形成する。
ｐ型ＡｌＧａＡｓ膜１１ａの厚さは、発光波長λ及びｐ型ＡｌＧａＡｓの実効屈折率ｎｒ３を用いて表すとき、λ／４ｎｒ３であることが好ましい。ｐ型ＧａＡｓ膜１３ａの厚さは、発光波長λ及びｐ型ＧａＡｓの実効屈折率ｎｒ４を用いて表すとき、λ／４ｎｒ４であることが好ましい。
（上部ＤＢＲ膜形成工程）
次に、ｐ型ＧａＡｓ膜１３ａ上に、例えばエピタキシャル成長法により複数のＡｌＡｓ膜３３ａ及び複数のＧａＡｓ膜３１ａを交互に積層する。ＡｌＡｓ膜３３ａは、例えばノンドープのＡｌＡｓからなり、ＧａＡｓ膜３１ａは、例えばノンドープＧａＡｓからなる。一例を挙げると、ＡｌＡｓ膜３３ａ及びＧａＡｓ膜３１ａは各々６層形成される。すなわち、６層のＡｌＡｓ膜３３ａ及び６層のＧａＡｓ膜３１ａからなる上部ＤＢＲ膜７ａが形成される。このとき、６ペアのＡｌＡｓ膜３３ａ及びＧａＡｓ膜３１ａが形成される。
ＧａＡｓ膜３１ａの厚さは、発光波長λ及びＧａＡｓの実効屈折率ｎｒ６を用いたとき、λ／４ｎｒ６であることが好ましい。ＡｌＡｓ膜３３ａの厚さは、後述の酸化工程を経た後において、発光波長λ及びＡｌＡｓが酸化されたものの実効屈折率ｎｒ５を用いたとき、λ／４ｎｒ５となるように予め決定されていることが好ましい。ＡｌＡｓ膜を酸化させると、その膜厚及び屈折率が変化するためである。
（エッチング工程）
次に、図６に示されるように、レーザポストの形状及びサイズが例えば１０μｍ×１０μｍの矩形となる上部ＤＢＲ膜７ｂを形成する。具体的には、まず、図５に示される上部ＤＢＲ膜７ａ上にマスク（図示せず）を形成し、このマスクを用いて上部ＤＢＲ膜７ａをＲＩＥ等のドライエッチングによりエッチングする。これにより、メサ形状のレーザポストとしての上部ＤＢＲ膜７ｂが形成され、ｐ型ＧａＡｓ膜１３ａの表面の一部が露出する。上部ＤＢＲ膜７ｂは、ＡｌＡｓ膜３３ｂとＧａＡｓ層３１とが交互に積層されてなる。レーザポストの形状及びサイズは特に限定されず、例えば直径１０μｍの円形であるとしてもよい。
次に、ｐ型ＧａＡｓ膜１３ａ（図５参照）上にマスク（図示せず）を形成する。このマスクを用いて、ＲＩＥ等のドライエッチングにより、ｐ型ＧａＡｓ膜１３ａ、ｐ型ＡｌＧａＡｓ膜１１ａ、第２ＡｌＧａＡｓ膜２７ａ、活性膜５ａ及び第１ＡｌＧａＡｓ膜２５ａを順にエッチングする。これにより、図６に示されるように、ｐ型ＧａＡｓ層１３、ｐ型ＡｌＧａＡｓ膜１１ｂ、第２ＡｌＧａＡｓ層２７、活性層５及び第１ＡｌＧａＡｓ層２５が形成され、下部ＤＢＲ膜３ａの表面の一部が露出する。
（酸化工程）
次に、図６に示されるｐ型ＡｌＧａＡｓ膜１１ｂを選択的に酸化すると、図７に示される電流狭窄層１０が得られる。電流狭窄層１０の第１部分１１の形状及びサイズは、例えば、５μｍ×５μｍの矩形であると好ましい。
また、図６に示されるＡｌＡｓ膜３３ｂの全部を酸化すると、図７に示されるアルミニウム酸化物層３３が得られる。これにより、アルミニウム酸化物層３３を備える上部ＤＢＲ部７が、ｐ型ＧａＡｓ層１３の表面における第１領域１２上に得られる。
酸化方法としては、熱水蒸気による酸化等を例示できる。この場合、図７に示される電流狭窄層１０と、アルミニウム酸化物層３３とを一工程で同時に得られる。このため、面発光半導体レーザ素子の製造工程の単純化及び製造コストの低減が図られる。
ここで、ＡｌＡｓ膜３３ｂのＡｌ組成比は、ｐ型ＡｌＧａＡｓ膜１１ｂのＡｌ組成比より大きいので、Ａｌの酸化速度も大きくなる。このため、Ａｌ組成比を制御することにより、同一工程でＡｌＡｓ膜３３ｂを全部酸化し、ｐ型ＡｌＧａＡｓ膜１１ｂを選択酸化することが容易になる。また、ＡｌＡｓ膜３３ｂ及びｐ型ＡｌＧａＡｓ膜１１ｂの形状及びサイズを制御することによって、酸化される領域の形状及びサイズを制御することもできる。
（電極形成工程）
次に、図７に示されるｐ型ＧａＡｓ層１３の表面における第２領域１４上に、図２に示されるようにｐ型電極１５を形成する。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１ａの裏面にｎ型電極１７を形成する。これにより、図２に示される面発光半導体レーザ素子１００が得られる。
（第２実施形態）
図８は、第２実施形態に係る面発光半導体レーザ素子を模式的に示す断面図である。図８には、面発光半導体レーザ素子２００が示されている。面発光半導体レーザ素子２００は、ｎ型ＩｎＰ基板２０１上に設けられた下部ＤＢＲ部２０３及び上部ＤＢＲ部７を備える。下部ＤＢＲ部２０３と上部ＤＢＲ部７との間には、活性層２０５が設けられている。
下部ＤＢＲ部２０３では、例えば、Ｓｉドープされたｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層２１９とＳｉドープされたｎ型ＩｎＰ層２２１とが交互に複数積層されている。一実施例では、例えば、２６層のｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層２１９と、２５層のｎ型ＩｎＰ層２２１とが交互に積層される。よって、下部ＤＢＲ部２０３の最上層及び最下層はｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層２１９となる。すなわち、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層２１９及びｎ型ＩｎＰ層２２１からなるペアが２５ペア形成され、さらにｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層２１９が１層形成される。
ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層２１９の厚さは、発光波長λ及びｎ型ＩｎＧａＡｓＰの実効屈折率ｎｒ１０を用いて表すとき、λ／４ｎｒ１０であることが好ましい。ｎ型ＩｎＰ層２２１の厚さは、発光波長をλ、ｎ型ＩｎＰの実効屈折率をｎｒ１１としたときに、λ／４ｎｒ１１であることが好ましい。
上部ＤＢＲ部７は、交互に積層された複数のＧａＡｓ層３１と複数のアルミニウム酸化物層３３とを有する。上部ＤＢＲ部７の最上層はＧａＡｓ層３１であり、最下層はアルミニウム酸化物層３３である。
活性層２０５は、例えば、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）又は単一量子井戸構造（ＳＱＷ）等の量子井戸構造（ＱＷ）を有する。好適実施例では、活性層２０５は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰからなる多重量子井戸構造を有する。
活性層２０５と下部ＤＢＲ部２０３との間には、第１ＩｎＧａＡｓＰ層２２５が設けられていると好ましく、活性層２０５と上部ＤＢＲ部７との間には、第２ＩｎＧａＡｓＰ層２２７が設けられていると好ましい。第１ＩｎＧａＡｓＰ層２２５、活性層２０５及び第２ＩｎＧａＡｓＰ層２２７によって、λ共振器が構成される。
第２ＩｎＧａＡｓＰ層２２７と上部ＤＢＲ部７との間には、更なる上部ＤＢＲ部２０４（半導体部）が設けられていると好ましい。上部ＤＢＲ部２０４は、例えば、交互に積層された複数のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層２４１と複数のｐ型ＩｎＰ層２４３とを有する。上部ＤＢＲ部２０４の最上層はｐ型ＩｎＰ層２４３であり、最下層はｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層２４１であると好ましい。一実施例では、例えば、４層のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層２４１と、４層のｐ型ＩｎＰ層２４３とが交互に積層される。
ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層２４１の厚さは、発光波長λ及びｐ型ＩｎＧａＡｓＰの実効屈折率ｎｒ８を用いて表すとき、λ／４ｎｒ８であることが好ましい。ｐ型ＩｎＰ層２４３の厚さは、発光波長をλ、ｐ型ＩｎＰの実効屈折率をｎｒ９としたときに、λ／４ｎｒ９であることが好ましい。
上部ＤＢＲ部２０４に含まれるｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層２４１のうち最上層のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層２４１の主面は、第１領域２１２と第１領域２１２を取り囲む第２領域２１４とを有している。第１領域２１２上には、上部ＤＢＲ部２０４の最上層となるｐ型ＩｎＰ層２４３と、上部ＤＢＲ部７とが設けられている。第２領域２１４上には、ｐ型電極１５が設けられている。したがって、ｐ型電極１５は、上部ＤＢＲ部２０４のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層２４１に電気的に接続される。ｐ型電極１５は、上部ＤＢＲ部２０４の側面に沿って延びており、ｐ型電極１５と上部ＤＢＲ部２０４との間には絶縁層１６が設けられている。また、ｎ型ＩｎＰ基板２０１の裏面にはｎ型電極１７が設けられている。
ｐ型電極１５及びｎ型電極１７に電圧を印加すると、活性層２０５に電流が供給される。これにより、レーザ光が上部ＤＢＲ部２０４及び上部ＤＢＲ部７を透過して外部に放出される。
面発光半導体レーザ素子２００は上部ＤＢＲ部７を備えるので、上述の面発光半導体レーザ素子１００と同様に、広い波長帯で高い反射率が得られる。また、面発光半導体レーザ素子２００では、面発光半導体レーザ素子として十分な反射率を得るために必要なＧａＡｓ層３１及びアルミニウム酸化物層３３の層数を少なくすることができる。このため、面発光半導体レーザ素子２００の小型化を実現できる。
また、面発光半導体レーザ素子２００では、上部ＤＢＲ部７が上部ＤＢＲ部２０４に張り合わされている。このため、上部ＤＢＲ部７を構成する材料系と活性層２０５を構成する材料系とが異なる場合でも、面発光半導体レーザ素子２００が容易に得られる。例えば、活性層２０５の材料系がＩｎＰ系である場合、ＩｎＰ系からなり、かつ高反射率のＤＢＲ部を作成するのは困難である。しかしながら、別途作製されたＧａＡｓ系の上部ＤＢＲ部７を、活性層２０５上に設けられた上部ＤＢＲ部２０４に張り合わせることによって、上述のように好適な面発光半導体レーザ素子２００が得られる。なお、活性層２０５の材料系としては、ＩｎＰ系の他にＧａＡｓ系も適用可能である。
面発光半導体レーザ素子２００は、例えば以下のようにして製造される。まず、上部ＤＢＲ部７を形成するために、ＧａＡｓ基板上に、エピタキシャル成長法により複数のＡｌＡｓ層及び複数のＧａＡｓ層を交互に積層する。一実施例では、６層のＡｌＡｓ層及び６層のＧａＡｓ層がＧａＡｓ基板上に積層される。その後、ＡｌＡｓ層を酸化することにより、アルミニウム酸化物層を得る。アルミニウム酸化物層は、例えば、ＡｌｘＯｙを含むと好ましい。その結果、ＧａＡｓ基板上に複数のＧａＡｓ層及び複数のアルミニウム酸化物層が積層されたＤＢＲ部が得られる。このＤＢＲ部が上部ＤＢＲ部の母体となる。
一方、ｎ型ＩｎＰ基板２０１上に、例えば、Ｓｉドープされたｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層２１９とＳｉドープされたｎ型ＩｎＰ層２２１とを交互に複数積層する。一実施例では、２６層のｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層２１９及び２５層のｎ型ＩｎＰ層２２１がｎ型ＩｎＰ基板２０１上に積層される。また、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層２１９の組成は、例えばバンドギャップ波長λｇで表すとλｇが１．４μｍとなる組成である。このようにして、ｎ型ＩｎＰ基板２０１上に下部ＤＢＲ部２０３が形成される。
続いて、下部ＤＢＲ部２０３上に、例えば、第１ＩｎＧａＡｓＰ層２２５、活性層２０５及び第２ＩｎＧａＡｓＰ層２２７を順にエピタキシャル成長法により形成する。一実施例では、第１ＩｎＧａＡｓＰ層２２５及び第２ＩｎＧａＡｓＰ層２２７の組成はいずれもバンドギャップ波長λｇで表すとλｇが１．２μｍとなる組成である。
続いて、第２ＩｎＧａＡｓＰ層２２７上に、例えば、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層２４１とｐ型ＩｎＰ層２４３とを交互に複数積層する。一実施例では、４層のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層２４１と、４層のｐ型ＩｎＰ層２４３とが交互に積層される。また、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層２４１のそ組成は、例えばバンドギャップ波長λｇで表すとλｇが１．４μｍとなる組成である。このようにして、第２ＩｎＧａＡｓＰ層２２７上に上部ＤＢＲ部２０４が形成される。
次に、水素雰囲気中、１５０℃で、上部ＤＢＲ部７の母体となるＤＢＲ部をｎ型ＩｎＰ基板２０１上に設けられた上部ＤＢＲ部２０４に張り合わせる。ＤＢＲ部の最上層は、ＧａＡｓ層３１であり、上部ＤＢＲ部２０４の最上層はｐ型ＩｎＰ層２４３である。したがって、ＧａＡｓ層３１とｐ型ＩｎＰ層２４３とが張り合わせ面ｓを介して接続される。
その後、水素雰囲気中、６００℃で熱処理を行う。続いて、ＧａＡｓ基板をエッチングにより薄くして、上部ＤＢＲ部７の最上層となるＧａＡｓ層３１を形成する。このようにして、上部ＤＢＲ部７は上部ＤＢＲ部２０４に張り合わされる。
次に、絶縁層１６、ｐ型電極１５及びｎ型電極１７を形成することにより、面発光半導体レーザ素子２００が得られる。
（第３実施形態）
図９は、第３実施形態に係る面発光半導体レーザ素子を模式的に示す断面図である。図９には、面発光半導体レーザ素子３００が示されている。面発光半導体レーザ素子３００は、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に設けられた下部ＤＢＲ部３及び上部ＤＢＲ部３０７を備える。下部ＤＢＲ部３と上部ＤＢＲ部３０７との間には、活性層５が設けられている。
活性層５と下部ＤＢＲ部３との間には、第１ＡｌＧａＡｓ層２５が設けられていると好ましく、活性層５と上部ＤＢＲ部７との間には、第２ＡｌＧａＡｓ層２７が設けられていると好ましい。第１ＡｌＧａＡｓ層２５、活性層５及び第２ＡｌＧａＡｓ層２７によって、λ共振器が構成される。
第２ＡｌＧａＡｓ層２７と上部ＤＢＲ部７との間には、電流を閉じ込めるための電流狭窄層１０が設けられていると好ましい。電流狭窄層１０は、電流を通過させるための第１部分１１と、この第１部分１１を取り囲む環状の第２部分９とを備える。
電流狭窄層１０と上部ＤＢＲ部３０７との間には、ｐ型ＧａＡｓ層１３が設けられていると好ましい。ｐ型ＧａＡｓ層１３の表面は、第１領域１２と第１領域１２を取り囲む第２領域１４とを有している。ここで、第１領域１２上には上部ＤＢＲ部３０７が設けられており、第２領域１４上にはｐ型電極１５が設けられていると好ましい。上部ＤＢＲ部３０７は、電流狭窄層１０の第１部分１１上に位置する。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面には、ｎ型電極１７が設けられている。
ｐ型電極１５及びｎ型電極１７に電圧を印加すると、活性層５に電流が供給される。これにより、レーザ光が上部ＤＢＲ部３０７を透過して外部に放出される。
上部ＤＢＲ部３０７は、交互に積層された複数のＧａＡｓ層３１と複数のアルミニウム酸化物層３３とを有する。上部ＤＢＲ部７の最上層はＧａＡｓ層３１であり、最下層はアルミニウム酸化物層３３である。
ＧａＡｓ層３１の主面は、レーザ光が反射及び透過するための第１部分３７と第１部分３７に隣接する第２部分３５とを有する。第１部分３７は中央部に設けられ、第２部分３５は第１部分３７の周縁部に設けられていると好ましい。第１部分３７上にはアルミニウム酸化物層３３が設けられており、第２部分３５上には別の半導体層３２が設けられている。半導体層３２は、例えば、ＡｌＧａＡｓ及びＡｌＡｓのうち少なくともいずれか一方の材料からなる。ＧａＡｓ層３１と半導体層３２との密着性は、ＧａＡｓ層３１とアルミニウム酸化物層３３との密着性よりも高い。したがって、半導体層３２が設けられていると、ＧａＡｓ層３１とアルミニウム酸化物層３３とがはく離することを防止でき、半導体層３２が設けられていない場合に比べて上部ＤＢＲ部３０７及び面発光半導体レーザ素子３００の機械的強度を向上できる。
また、面発光半導体レーザ素子３００では、上部ＤＢＲ部３０７において、レーザ光が反射及び透過するための第１部分３７にアルミニウム酸化物層３３が設けられている。このため、面発光半導体レーザ素子３００では、上述の面発光半導体レーザ素子１００と同様に、広い波長帯で高い反射率が得られる。さらに、面発光半導体レーザ素子３００では、面発光半導体レーザ素子として十分な反射率を得るために必要なＧａＡｓ層３１及びアルミニウム酸化物層３３の層数を少なくすることができる。このため、面発光半導体レーザ素子３００の小型化を実現できる。
次に、図６、図９、図１０(Ａ)及び図１０(Ｂ)を参照して、面発光半導体レーザ素子３００の製造方法について説明する。図１０(Ａ)は面発光半導体レーザ素子３００の製造方法における一工程を模式的に示す平面図であり、図１０(Ｂ)は、図１０(Ａ)に示されたＢ−Ｂ線に沿った断面図である。面発光半導体レーザ素子３００を製造するためには、まず、面発光半導体レーザ素子１００と同様に、下部ＤＢＲ膜形成工程、活性膜形成工程、上部ＤＢＲ膜形成工程及びエッチング工程を行う。その後、以下の工程を行う。
（酸化工程）
まず、図６に示される上部ＤＢＲ膜７ｂの側面上に、図１０(Ａ)及び図１０(Ｂ)に示される絶縁膜４１を形成する。この絶縁膜４１は、上部ＤＢＲ膜７ｂの側面上に、図１０(Ａ)に示される開口４１ａを有しており、例えばＳｉＮからなる。
続いて、図６に示されるｐ型ＡｌＧａＡｓ膜１１ｂを選択的に酸化すると、図１０(Ｂ)に示される電流狭窄層１０が得られる。電流狭窄層１０の第１部分１１の形状及びサイズは、例えば、５μｍ×５μｍの矩形であると好ましい。
また、図６に示されるＡｌＡｓ膜３３ｂの一部を酸化すると、図１０(Ａ)及び図１０(Ｂ)に示されるアルミニウム酸化物層３３が得られる。このとき、ＡｌＡｓ膜３３ｂは絶縁膜４１の開口４１ａから徐々に酸化される。ＡｌＡｓ膜３３ｂのうち、酸化されていない領域が半導体層３２となる。したがって、アルミニウム酸化物層３３と半導体層３２とは隣接する。これにより、アルミニウム酸化物層３３及び半導体層３２を備える上部ＤＢＲ部３０７が、ｐ型ＧａＡｓ層１３の表面における第１領域１２上に得られる。
酸化方法としては、熱水蒸気による酸化等を例示できる。この場合、図１０(Ｂ)に示される電流狭窄層１０と、アルミニウム酸化物層３３とを一工程で同時に得られる。このため、面発光半導体レーザ素子の製造工程の単純化及び製造コストの低減が図られる。
ここで、ＡｌＡｓ膜３３ｂのＡｌ組成比は、ｐ型ＡｌＧａＡｓ膜１１ｂのＡｌ組成比より大きいので、Ａｌの酸化速度も大きくなる。このため、Ａｌ組成比を制御することにより、同一工程でＡｌＡｓ膜３３ｂ及びｐ型ＡｌＧａＡｓ膜１１ｂを共に選択酸化することが容易になる。また、ＡｌＡｓ膜３３ｂ及びｐ型ＡｌＧａＡｓ膜１１ｂの形状及びサイズ、絶縁膜４１の形状及びサイズを制御することによって、酸化される領域の形状及びサイズを制御することもできる。
次に、電極形成工程を経ることによって、図９に示される面発光半導体レーザ素子３００が得られる。
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されない。
例えば、上記各実施形態において、上部ＤＢＲ部ではなく、下部ＤＢＲ部がＧａＡｓ層とアルミニウム酸化物層とを有するとしてもよい。また、上部ＤＢＲ部及び下部ＤＢＲ部のいずれもがＧａＡｓ層とアルミニウム酸化物層とを有するとしてもよい。なお、これらの場合、ＧａＡｓ層に代えて他のIII−Ｖ族半導体層又は半導体層を用いるとしてもよい。
また、上記各実施形態におけるｐ型とｎ型とを反転させてもよい。
また、上記各実施形態において、下部ＤＢＲ部、上部ＤＢＲ部及び活性層は、必ずしもｎ型ＧａＡｓ基板上に設けられていなくてもよい。例えば、ｎ型ＧａＡｓ基板上に下部ＤＢＲ部、活性層及び上部ＤＢＲ部を形成した後に、これらをｎ型ＧａＡｓ基板から剥離して他の支持体等に張り付けるとしてもよい。
また、上記各実施形態において、電流狭窄層１０は、ｐ型ＡｌＡｓを選択的に酸化してなるものであるとしてもよい。
また、上記各実施形態において、活性層はＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の量子ドット構造、又は、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ系の量子ドット構造を有するとしてもよい。このような量子ドット構造としては、光通信において重要な波長帯である１．３μｍ〜１．５５μｍ帯の発光波長を得ることができる量子ドット構造が好ましい。
また、上記各実施形態において、面発光半導体レーザ素子を製造する際に、ＡｌＡｓ膜に代えてＡｌＧａＡｓ膜を用いるとしてもよい。この場合、得られるアルミニウム酸化物層は、ＡｌＧａＡｓを酸化してなるものである。
また、上記第２実施形態では、上部ＤＢＲ部２０４を設けないとしてもよい。この場合、上部ＤＢＲ部７は第２ＩｎＧａＡｓＰ層２２７（半導体部）に張り付けられる。
以上説明した面発光半導体レーザ素子は、例えば光通信分野等において好適に用いられる。
第１実施形態に係る面発光半導体レーザ素子を模式的に示す斜視図である。 図１に示されたII−II線に沿った断面図である。 ＤＢＲ部を構成する二種類の層のペア数に対するＤＢＲ部の反射率（％）をプロットしたグラフである。 光の各波長（ｎｍ）に対するＤＢＲ部の反射率をプロットしたグラフである。 面発光半導体レーザ素子の製造方法における一工程を模式的に示す工程断面図である。 面発光半導体レーザ素子の製造方法における一工程を模式的に示す工程断面図である。 面発光半導体レーザ素子の製造方法における一工程を模式的に示す工程断面図である。 第２実施形態に係る面発光半導体レーザ素子を模式的に示す断面図である。 第３実施形態に係る面発光半導体レーザ素子を模式的に示す断面図である。 図１０(Ａ)は面発光半導体レーザ素子の製造方法における一工程を模式的に示す平面図であり、図１０(Ｂ)は、図１０(Ａ)に示されたＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
符号の説明
３，２０３…下部ＤＢＲ部、７，３０７…上部ＤＢＲ部、５，２０５…活性層、３１…ＧａＡｓ層（半導体層）、３３…アルミニウム酸化物層、１００，２００，３００…面発光半導体レーザ素子、１０…電流狭窄層、１３…ｐ型ＧａＡｓ層（ＧａＡｓ層）、１５…ｐ型電極（電極）、１２…第１領域、１４…第２領域、３２…別の半導体層、３７…第１部分、３５…第２部分。

Claims (6)

  1. 第１ＤＢＲ部と、
    第２ＤＢＲ部と、
    前記第１ＤＢＲ部と前記第２ＤＢＲ部との間に設けられた活性層と、
    を備え、
    前記第１ＤＢＲ部は、交互に設けられた半導体層及びアルミニウム酸化物層を有し、
    前記半導体層の主面は、中央部に設けられた第１部分と該第１部分の周縁部に隣接する第２部分とを有しており、前記第１部分上には前記アルミニウム酸化物層が設けられており、前記第２部分上には前記半導体層とは別の半導体層が設けられている面発光半導体レーザ素子。
  2. 前記半導体層の数は５以上であり、前記アルミニウム酸化物層の数は５以上である請求項１に記載の面発光半導体レーザ素子。
  3. 第１ＤＢＲ部と、
    第２ＤＢＲ部と、
    前記第１ＤＢＲ部と前記第２ＤＢＲ部との間に設けられた活性層と、
    を備え、
    前記第１ＤＢＲ部は、交互に設けられた半導体層及び酸化物層を有しており、該酸化物層は、ＡｌＧａＡｓ及びＡｌＡｓのうち少なくともいずれか一方の材料を酸化してなり、
    前記半導体層の主面は、中央部に設けられた第１部分と該第１部分の周縁部に隣接する第２部分とを有しており、前記第１部分上には前記酸化物層が設けられており、前記第２部分上には前記半導体層とは別の半導体層が設けられている面発光半導体レーザ素子。
  4. 前記半導体層の数は５以上であり、前記酸化物層の数は５以上である請求項３に記載の面発光半導体レーザ素子。
  5. 前記第１ＤＢＲ部の前記半導体層に張り合わされると共に、前記活性層上に設けられた半導体部を更に備え、
    前記半導体部は、前記第１ＤＢＲ部と前記活性層との間に設けられている請求項１〜４のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子。
  6. 前記活性層と前記第１ＤＢＲ部との間に設けられた電流狭窄層と、
    前記電流狭窄層と前記第１ＤＢＲ部との間に設けられたＧａＡｓ層と、
    前記ＧａＡｓ層上に設けられた電極と、
    を更に備え、
    前記ＧａＡｓ層の主面は、第１領域と該第１領域を取り囲む第２領域とを有しており、前記第１ＤＢＲ部は前記第１領域上に設けられており、前記電極は前記第２領域上に設けられている請求項１〜５のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子。
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